Academic literature on the topic 'Applications photoniques'

Nous présentons ici le logiciel open source ONELAB de modélisation numérique par la méthode des éléments finis pour les applications photoniques. Nous illustrons à l’aide de quelques exemples une bibliothèque évolutive de modèles paramétrables couvrant une large gamme de dispositifs rencontrés en nanophotonique. Celle-ci permet d’aborder facilement la simulation d’applications réalistes tout en permettant au spécialiste de développer ses propres modèles avancés.

Les fibres optiques microstructurées, également appelées fibres à trous ou fibres optiques à cristal photonique sont un type récent de guides de lumières originaux et performants apparues dans le milieu des années 1990. Elles se sont depuis imposées comme une technologie incontournable de la photonique moderne. L’originalité première de ce genre de fibre a été de permettre le guidage de la lumière dans un matériau unique grâce à leur structuration périodique. Après une vingtaine d’années de recherche, la gamme possible de structures de ces fibres optiques s’est grandement étoffée, donnant lieu à plusieurs catégories de fibres microstructurées classifiées par type de mécanisme de guidage (par réflexion totale interne, par bande interdite photonique, et par couplage inhibé). Arrivées à maturité aujourd’hui, ces fibres optiques ont démontré au fil des années un potentiel d’applications extrêmement vaste et ce, dans des domaines très variés allant de la défense aux applications biophotoniques, sous la forme de capteurs optiques ou de lasers fibrés de forte puissance.

La plasmonique fait l’objet d’une attention particulièrement soutenue depuis une vingtaine d’années. Cet intérêt s’explique par son potentiel au niveau des applications qui s’étendent du diagnostic médical aux énergies décarbonées en passant par les communications optiques. Dans cette perspective, une cartographie des brevets focalisée sur ce domaine très actif de la photonique peut apporter un éclairage pertinent.

Le niobate de lithium (LiNbO3) suscite un vif intérêt en photonique depuis des décennies en raison de ses fortes propriétés électro-optiques et non-linéaires. L’opportunité récente de l’usiner en couches minces a élargi le spectre des applications déjà nombreuses du matériau. Les enjeux actuels concernent la miniaturisation des composants tout en préservant de faibles pertes optiques.

The photonic's method is used in the study of monocristalline silicon solar cell (N+P). The induced photocurrent in the cell is analyzed with respect to the technological parameters such as the optical absorption coefficient of silicon and the emitter and base thickness. The spatial and frequential variations of the photocurrent of the cell, when the latter is illuminated by a sinusoidal modulated light, allow access to the diffusion length and lifetime of the minority carriers generated in a given region of the cell. In this paper, the physical parameters related to the base region are determined. In addition, this access is shown to be possible only when the total photocurrent of the cell is reduced to the base diffusion photocurrent.

Les matériaux artificiellement structurés que sont les cristaux photoniques sont couramment utilisés pour leurs propriétés dispersives. Leur constante diélectrique varie périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde selon deux ou trois directions avec un contraste d'indice suffisamment élevé. La relation de dispersion ω = ω(k) qui résulte de cette variation périodique a la forme d'une structure de bande à l'intérieur de laquelle il existe des bandes interdites photoniques où la propagation du champ électromagnétique est interdite. En dehors de ces bandes, i.e. dans les bandes photoniques, se trouvent les propriétés de dispersion des cristaux photoniques.Le but de ce travail de thèse est de concevoir, de fabriquer et de caractériser des dispositifs à cristal photonique à gradient. Ces dispositifs ont été conçus de façon à s'appliquer dans les domaines allant des micro-ondes à l'optique. Nous avons conçu des dispositifs à partir de cristaux photoniques dont les propriétés dispersives les rendent analogues à des milieux linéaires, homogènes et isotropes (LHI). À la maille élémentaire de ces cristaux photoniques LHI, nous avons appliqué un gradient pour réaliser des lentilles à gradient 1D. Des résultats importants concernant la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale d'une lentille plate à gradient d'indice fonctionnant dans la bande X des micro-ondes sont reportés. Celle lentille focalise une onde plane incidente et collimate l'onde émise par une source ponctuelle situés dans son plan focal. Si cette lentille constitue en soi un démonstrateur et valide la démarche mise en œuvre pour la concevoir, ses applications potentielles concernent particulièrement les antennes. Nous réalisons également plusieurs lentilles à gradient 2D dont des lentilles de Lüneburg et Half Maxwell Fisheye; leurs applications aux antennes sont importantes. Nous nous intéressons aussi à la réalisation de lentilles optiques à gradient d'indice dites « SELFOC® ». Dans le but de confirmer les propriétés dispersives remarquables qui ont été mises en évidence, nous avons poursuivi dans ce sens en revisitant une expérience classique qui met en évidence l'existence des ondes évanescentes : celle du « double prisme à angle droit ». Nous mettons également en évidence le phénomène de « réflexion totale frustrée » ainsi que le décalage, découvert par Goos et Hänchen, que subit l'onde réfléchie sur le dioptre. Ce sont ces deux points — réflexion totale frustrée et effet Goos-Hänchen — que nous vérifions dans le cas de cristaux photoniques LHI
Artificially structured materials that are photonic crystals are commonly used for their dispersive properties. Their dielectric constant varies periodically across the wavelength in two or three directions with a sufficiently high index contrast. The resulting dispersion relation ω = ω(k) of the periodic variation has the form of a band structure within which there are photonic bandgaps in which the propagation of the electromagnetic field is prohibited. Outside of these bands, i.e. in the photonic band, there are the dispersion properties of the photonic crystals.The aim of this thesis is to design, fabricate and characterize graded photonic crystal devices. These devices were designed to be applied in areas ranging from microwaves to optics. We designed devices from photonic crystals with dispersive properties which make them similar to linear, homogeneous and isotropic media (LHI). In the unit cell of the LHI photonic crystal, we applied a gradient to achieve 1D graded lenses. Important results regarding the design, manufacturing and experimental characterization of a flat lens GRIN operating in X-band microwaves are deferred. This lens focuses an incident plane wave and collimates the wave emitted by a point source located in its focal plane. If this lens is itself a demonstrator and validates the approach implemented for the design, its potential applications particularly concern antennas. We also carry several 2D graded lenses including Lüneburg and Half Maxwell Fisheye lenses; their applications to the antennas are important. We are also interested in making optical graded index lenses called "SELFOC®".In order to confirm the remarkable dispersive properties that have been identified, we continued in that direction by revisiting a classic experiment that highlights the existence of evanescent waves: the "double right angle prism". We also highlight the phenomenon of "frustrated total internal reflection" and the shift discovered by Goos and Hänchen suffered by the reflected wave on the interface. It's these two points – frustrated total internal reflection and Goos-Hänchen effect - that we check in the case of LHI photonic crystals

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite des lasers à cascade quantique à plasmons de surface dans la gamme spectrale du moyen-IR et de leurs applications aux cristaux photoniques moyen-IR et THz. Pour les grandes longueurs d'onde (λ > 10µm) la lumière est confinée au sein de la région active du laser grâce à une couche de métal déposée directement à la surface de la région active. Ces guides sont appelés guide à plasmons de surface. La faible épaisseur de ces guides est un atout majeur pour la fabrication de dispositifs à cristal photonique ou DFB (Distributed Feed Back). Ce manuscrit présente une étude complète de ces guides. Il démontre de manière expérimentale et théorique qu'il est possible d'améliorer les performances de ces guides en utilisant une couche d'argent à la place de l'or habituellement utilisé. Pour approfondir cette étude, une méthode originale basée sur les guides multisections et permettant de mesurer les pertes et le gain des guides à plasmons de surface a été soigneusement étudiée à l'aide de nombreuses expériences. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude théorique du réseau nid d'abeille pour la fabrication de microcavité laser pour le moyen-IR et le THz. Cette étude est réalisée grâce à des simulations bidimensionnelles à partir d'un code utilisant la méthode des ondes planes et en trois dimensions grâce à un code utilisant la méthode FDTD (Finite-Difference Time-Domain). Lors de ces études, un phénomène nouveau a été mis en évidence sur les guides métal-métal THz démontrant qu'il est possible d'implémenter un cristal photonique par la seule structuration du métal du contact supérieur.

Un objectif technologique important de l’industrie des semiconducteurs concerne l’intégration sur Si de semiconducteurs III-V à bande interdite directe tels que InAs et GaAs, pour réaliser des émetteurs et détecteurs de lumière aux longueurs d'onde de télécommunication. L'épitaxie de couches minces d'InAs et de GaAs sur Si est cependant difficile en raison de la grande différence de paramètre de maille entre ces matériaux. Ces films minces épitaxiés présentent une interface de mauvaise qualité limitant les performances de futurs dispositifs. Pour surmonter le défi de l’épitaxie de matériaux à fort désaccord de maille, il a été proposé d’utiliser des nanofils en raison de leur dimension latérale réduite et de leur rapport hauteur/largeur élevé. Ainsi, les nanofils relâchent la contrainte par relaxation élastique sur la paroi latérale des nanofils. Dans ce contexte, ma thèse visait à faire croître des hétérostructures axiales de nanofils GaAs/InAs sur des substrats Si pour réaliser des émetteurs à photons uniques. Lors de ce travail expérimental, j'ai fait croître des nanofils par le mécanisme vapeur-solide-liquide assisté par catalyseurs d'or dans un réacteur d'épitaxie par jet moléculaire. Les nanofils ont ensuite été caractérisés en utilisant la spectroscopie à rayons X par dispersion d'énergie et la microscopie électronique à transmission pour évaluer leur composition et leur structure cristalline. La distribution de la contrainte a été étudiée expérimentalement par analyse de phase géométrique, puis comparée à des simulations par éléments finis. Au cours de cette thèse, j'ai abordé différents défis inhérents aux hétérostructures axiales de nanofils, tels que la formation de nanofils tordus, la composition graduelle de l’interface et la croissance radiale parasite. J'ai d'abord optimisé le protocole de croissance pour éviter la formation de nanofils tordus. Les nanofils changent habituellement de direction de croissance lorsque le catalyseur d'or à l'extrémité du nanofil a été déstabilisé. En gardant une forte sursaturation dans la gouttelette d'or pendant toute la procédure de croissance, j’ai obtenu des nanofils droits d’InAs/GaAs avec un rendement de 92%. J’ai alors optimisé les flux de matériaux pour réduire la composition graduelle de l'interface entre les segments d’InAs et de GaAs. Grâce à l'analyse de la composition chimique des nanofils, j'ai observé que le segment nominalement pur d’InAs est en fait un alliage ternaire InxGa1-xAs. J'ai découvert que l'incorporation de Ga dans le segment nominal InAs est due à la diffusion d'adatomes Ga créés thermiquement sur les nanofils GaAs et sur la couche de GaAs bidimensionnelle développée sur le substrat de Si. L'utilisation de diamètres larges de nanofils supprime la diffusion de Ga le long des parois latérales des nanofils, permettant ainsi la croissance d’un segment d’InAs pur au-dessus de celui de GaAs. Enfin, j'ai étudié la distribution de la contrainte de 7% à l’interface InAs/GaAs. Celle-ci est répartie le long du nanofil et dépend du diamètre du nanofil et de la composition de l'interface. J'ai observé que les nanofils de diamètre inférieur à 40 nm sont exempts de dislocations: la contrainte est relaxée élastiquement via la courbure des plans cristallins proches des parois latérales du nanofil. D'autre part, les nanofils avec des diamètres supérieurs à 95 nm relaxent à la fois élastiquement et plastiquement, par une courbure des plans et la formation de dislocations. En conclusion, j'ai fabriqué des hétérostructures de matériaux à fort désaccord de maille. J’ai pu confirmer que les interfaces axiales GaAs/InAs sont pseudomorphiques en dessous d'un certain diamètre critique. Ces résultats constituent une première étape vers la réalisation de boîtes quantiques InAs dans des nanofils de GaAs intégrés sur Si: un système prometteur pour l'émission de photons uniques sur puce
Combining direct bandgap III-V compound semiconductors, such as InAs and GaAs, with silicon to realize on-chip optical light emitters and detectors at telecommunication wavelengths is an important technological objective. However, traditional thin film epitaxy of InAs and GaAs on silicon is challenging because of the high lattice mismatch between the involved materials. These epitaxial thin films exhibit a poor quality at the interface with silicon, limiting the performance of future devices. Nanowires can overcome the mismatch challenge owing to their small lateral size and high aspect ratio. Thanks to their free, unconstrained surfaces, nanowires release the mismatch strain via elastic lateral relaxation. In this context, my thesis aimed at growing axial GaAs/InAs nanowire heterostructures on silicon substrates to realize on-chip, integrated, single-photon emitters. In this experimental work, I grew nanowires by gold-assisted vapor liquid solid mechanism in a molecular beam epitaxy reactor. The nanowires were then characterized using energy dispersive x-ray spectroscopy and transmission electron microscopy to evaluate their composition and crystalline structure. Strain distribution was studied experimentally using geometrical phase analysis and compared theoretically with finite element simulations, performed with the COMSOL software. During this thesis, I tackled different challenges inherent to axial nanowire heterostructures, such as kinking during material exchange, compositionally graded interfaces, and radial overgrowth. First, I developed an optimized a growth protocol to prevent the formation of kinks. Kinks usually appear when the gold catalyst at the nanowire tip has been destabilized. By keeping a high supersaturation in the gold droplet during the entire growth procedure, straight InAs-on-GaAs nanowires were achieved with a yield exceeding 90%. By a careful tuning of the material fluxes supplied during growth, I significantly improved the interface sharpness between the InAs and GaAs nanowire segments: the use of a high In flux during the growth of the InAs segment resulted in a 5 nm composition gradient at the InAs/GaAs interface. Through the careful analysis of the nanowires’ chemical composition, I observed that the nominally pure InAs segments grown on top of GaAs are in fact ternary InxGa1-xAs alloys. I found out that Ga incorporation in the nominal InAs segment is due to the diffusion of Ga adatoms thermally created on the GaAs nanowire sidewalls and on the two-dimensional GaAs layer grown on silicon substrate. I demonstrated that the use of large nanowire diameters prevents Ga diffusion along the nanowire sidewalls, resulting in the growth of pure InAs segments on top of GaAs. Finally, I studied how 7% mismatch strain at the InAs/GaAs interface is distributed along the nanowire, depending on the nanowire diameter and interface sharpness. I observed that nanowires with diameters below 40 nm are free of misfit dislocations regardless of the interface sharpness: strain is fully, elastically released via crystalline planes bending close to the nanowire sidewalls. On the other hand, nanowires with diameters above 95 nm at the interface exhibit strain relaxation, both elastically and plastically, via plane bending and the formation of misfit dislocations, respectively. In conclusion, I have successfully fabricated highly mismatched heterostructures, confirming the prediction that axial GaAs/InAs interfaces are pseudomorphic below a certain critical diameter. These findings establish a first step towards the realization of high quality InAs quantum dots in GaAs nanowires on silicon: a promising system for on-chip single photon emission

Le matériau pérovskite présente de nombreux avantages : excellentes propriétés optoélectroniques, faibles coûts des matières premières et vaste éventail de techniques de dépôt. Ceci en fait un candidat prometteur pour les applications photovoltaïques. Les cellules solaires en pérovskite ont ainsi vu leurs rendements de conversion progresser de 6 % à 25 % en moins de 10 ans. Cependant les pérovskites présentent un gap direct, et leur absorption chute brusquement lorsque la longueur d’onde passe au-dessus de λgap. Les cristaux photoniques sont des structures périodiques permettant, en fonction de leurs paramètres, d’améliorer l’absorption aux alentours du gap du matériau. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier l’intégration d’un cristal photonique dans une cellule solaire pérovskite. Nous avons dans un premier temps optimisé le dépôt de pérovskite pour obtenir une couche uniforme et continue. Nous avons ensuite réalisé différentes étapes d’impression sur les couches. Ce procédé, grâce à l’application d’une pression, permet de structurer un matériau suivant la forme inversée d’un moule. Deux types d’impression ont été étudiés et optimisés : la compression plane, permet d’aplanir la pérovskite et d’obtenir une couche de très faible rugosité tout en améliorant la cristallisation de la pérovskite ; la nanoimpression, qui s’effectue avec un moule structuré. Les paramètres des deux procédés ont été optimisés, nous avons démontré qu’elle est applicable à une large gamme de moules, avec des motifs de tailles et de dimensions différentes. Nous avons pu réaliser un cristal photonique dans la couche de pérovskite permettant d’améliorer l’absorption de celle-ci. Finalement, nous avons réalisé des cellules solaires en utilisant le procédé d’impression (compression plan et nanoimpression) sur la couche de pérovskite. En obtenant un rendement de conversion pour les deux types de cellules, nous avons montré la faisabilité de telles cellules
Perovskite material has many advantages: excellent optoelectronic properties, low raw material costs and a wide range of deposition techniques. This makes it a promising candidate for photovoltaic applications. Perovskite solar cells have seen their efficiency increase from 6% to 25% in less than 10 years. However, the perovskites present a direct gap, and the absorption in this material drops suddenly when the wavelength passes above λgap. Using photonic crystals based on periodic structures allow, to improve the absorption around the gap of the material. The objective of this thesis is to study the integration of a photonic crystal in a perovskite solar cell.We have first optimized the perovskite deposition process in order to obtain a uniform and continuous layer. Then, we have carried out different imprint tests on the layers. This process, by applying a pressure, makes it possible to structure a material according to the inverted shape of a mold. Two types of imprint have been studied and optimized: flat compression, which, using a flat mold, makes the perovskite less rough and allows to obtain a better crystallization; and nanoimprint, using a nano-structured mold. An increase in grain size compared to simple annealing of perovskite without imprint has also been noticed. For nanoimprint, we have tested and optimized the impact of pressure and temperature on the perovskite structuration. After development and optimization of this technique on perovskite, we have shown that it is applicable to a wide range of molds, with patterns of different sizes and dimensions. We were able to make a photonic crystal in the perovskite layer to improve its absorption. Finally, we have realized solar cells using the imprint process (flat compression and nanoimprint) applied on the perovskite layer. By obtaining a conversion efficiency for the two types of cells, we have demonstrated the feasibility of such cells

Afin de poursuivre leur montée en débit, les composants des télécommunications par fibre optique nécessitent l'élaboration de nombreuses briques de base : laser, modulateur, photo-détecteur, multiplexeur... et leur intégration avec les circuits de traitement du signal. Cette thèse a pour objectifs de concevoir et de caractériser ces différentes briques actives et passives en utilisant la technologie hybride III-V/Si. Ces briques sont ensuite utilisées dans des circuits photoniques intégrés (PIC) complets d'émission et de réception, qui présentent des avantages tels qu'une. taille réduite, une consommation et un coût de fabrication faibles. . Après une partie d'introduction, plusieurs éléments passifs sont étudiés en détail dans la 2ème partie : guides d 'ondes, virages, diviseurs de puissance, croisements de guides et hybride 90°. Tous ces dispositifs présentent de bonnes performances compatibles avec leur utilisation dans les PICs.La 3ème partie traite le problème du (dé)-multiplexage en longueur d'onde. Trois dispositifs sont étudiés : le démultiplexeur basé sur des résonateurs en anneau, des réseaux échelle et des AWG (arrayed waveguide grating). Pour les réseaux échelles, des performances à l'état de l'art ont été démontrées, d'une part sur un composant de 16 canaux séparés de 100GHz et d'autre part sur un composant de 4 canaux séparés de 20nm avec un profil aplati. Une méthode de simulation d'AWG a ensuite été présentée avec des résultats expérimentaux et théoriques à l'appui. La dernière partie traite des composants dits "actifs" et de l'intégration de toutes les fonctions précédentes dans des circuits photoniques intégrés. Les composants actifs étudiés sont les lasers, les Amplificateurs optiques en semi-conducteurs (SOA), les modulateurs à électro-absorption (EAM) et enfin les jonctions PN sur silicium comme modulateur de phase. Les PICs présentés sont d'abord deux générations de laser accordable intégré avec un EAM avec une transmission à 10Gbit/s sur 50km. Puis sont étudiés des modulateurs I/Q avec source laser accordable intégrée, d'une part avec des jonctions PN en silicium et d'autre part avec des EAM comme modulateurs pour des débits cibles de 25Gbaud/s.Une conclusion générale est tirée à la fin de la thèse. Des perspectives à court et moyen termes sont également tracées
In order to follow the new needs in terms of optical bandwidth, optical fiber communications require the elaboration of numerous building blocks: laser, modulator, photo-detector...and their integration with signal processing circuits. This thesis has for objective the conception and caracterisation of various active and passive building blocks using the hybrid III-V/Si technology. These building blocks are then used in photonic integrated circuits (PIC) with all the necessary emission and reception functions. This enables a reduced footprint, a lower power consumption and fabrication cost.After an introduction section, several passive elements are studied in detail in the second part: waveguides, bends, power splitters, waveguide crossings and hybrid 90°. All these designs present good performances compatible with their integration in PICsThe third part treats the problem of wavelength (de)-multiplexing. Three types of device were studied: a demultiplexer based on ring resonators, echelle gratings and arrayed waveguide gratings (AWG). For the echelle gratings, state-of-the-art performances were demonstrated, first on a sample with 16 channels separated 100GHz and on the other hand a sample with 4 channels separated 20nm with a flettened profile. A simulation method for the AWG was presented with experimental and theoretical results to support the method.The last part is about "active" devices and the integration of all the previous designs in PICs. The studied active components are the lasers, semi-conductor optical amplifiers (SOA), electro-absorption modulators (EAM) and finally silicon PN junctions used as phase modulators. Two generations of a tunable laser integrated with an EAM were studied with a transmission at 10Gbit/s over 50km. The next section studied I/Q modulators with an integrated tunable laser source, using either PN silicon junction modulators or EAM with a target speed of 25Gbaud/s.A general conclusion is drawn at the end of the thesis. Short term and mid-term perspectives were also drawn

Ce travail porte principalement sur un composant issu des concepts d'ingénierie de dispersion des métamatériaux et des cristaux photoniques qu'est la "superlentille". Un bref rappel des fondamentaux sur les cristaux photoniques bidimensionnels pour l’étude des structures de bandes est fait, avant de présenter les différents régimes de réfraction extraordinaires que l’on peut mettre en évidence en exploitant l’isotropie et/ou l’anisotropie des courbes de dispersion. Une lentille plate à cristaux photoniques ainsi que les solutions envisagées pour en optimiser la résolution et l’adaptation à son milieu environnant sont présentées (collaboration Institut Fresnel/Marseille). Les méthodes de fabrication de cette lentille, issues des technologies de la nanoélectronique, sont également présentées. L'originalité de notre procédé réside en sa simplicité car il ne nécessite qu'un seul niveau de masque pour la lithographie électronique et la gravure profonde pour transférer la totalité de notre dispositif sur l'échantillon. Les caractérisations sont effectuées grâce à un microscope optique en champ proche (ICB / Université de Dijon) et les images interprétées, en recourant notamment aux résultats de simulations tridimensionnelles. Nous explorons ensuite une application dans le domaine de la détection de cibles et de l’imagerie, basée sur les techniques de tomographie en réflexion. Enfin, des dispositifs exploitant une ingénierie localisée de l'indice issus des techniques de l’optique de transformation de type lentilles à gradient d’indice et tapis magiques sont abordés afin d'élargir notre champ d’applications
This work is devoted to the « superlens », a photonic device issued from dispersion engineering concepts. A brief review of the basic concepts of two dimensional photonic crystals for band structure formation is given, followed by a presentation of the different regimes of ultra-refraction which can be evidences by exploiting the isotropy and/or anisotropy of the dispersion branches. The negative refraction properties of a fully dielectric heterostructure aimed to operate at 1.55 µm are detailed, as well as a full study of a photonic crystal based flat lens. In that case, efforts are devoted to the optimization of the resolution and to the device matching to its environment (collaboration : Fresnel Institute in Marseille). The fabrication process for such a lens, which makes use of advanced tools of nanoelectronics, is then presented. The originality of our process stands in its simplicity since only one mask level is used, for the lithography and the deep etching, to transfer the full design on the sample. Characterization is done using a SNOM (ICB / Dijon University) ant the images are interpreted using three-dimensional simulation results. Then, we explore a specific application in the domain of target detection and imaging, using tools of reflecting tomography, for which the flat lens could bring an added value compared to classical approaches. Finally, devices exploiting a local dispersion index engineering (concepts of transformation optics) like “gradient index lenses” or “magical carpets” are envisaged to enlarge the field of applications

Dans le cadre d'une collaboration avec le laboratoire LEOM (laboratoire d'électronique, Optoélectronique et Microsystème) de l’Ecole Centrale de Lyon, nous avons mené une étude concernant la gravure de l’InP par plasma ICP chloré. Ce type de procédé est considéré comme une étape clef dans la réalisation des cristaux photoniques à base d’InP. Afin de mieux comprendre les mécanismes Dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire LEOM (Laboratoire d’Electronique, physiques et cinétiques de la décharge ICP et son effet sur les propriétés structurelles et géométriques du matériau gravé, nous avons étudié, dans un premier temps, les phénomènes électriques et de transport par plasma en utilisant une sonde de Langmuir et la spectroscopie d’émission. Ces études ont montré l’effet de certains paramètres machine comme la puissance RF du réacteur ICP et la pression du gaz sur les propriétés électriques et de transport d’espèces chargées en particulier les électrons dont la densité et la température électroniques jouent un rôle important dans la décharge plasma. C’est ainsi que les évolutions de la densité et la température électroniques en fonction de la puissance RF et la pression du gaz ont été étudiées pour deux type de gaz : le chlore pur et le mélange Cl2/Ar. D’autre part, des analyses de surfaces d’InP gravées ont été effectuées en utilisant l’XPS (X-ray Photoélectron Spectroscopie), l’AFM (Atomic Force Microscopie) et la spectroscopie Raman. Les résultats révèlent que, contrairement à la gravure de l’InP par plasma de CH4/H2 où les surfaces gravées sont plutôt appauvries en phosphore, la gravure d’InP par plasma chloré présente dans la plupart des cas un appauvrissement de surface en indium. En parallèle à cette étude expérimentale, nous avons développé un modèle cinétique pour deux types de plasma : un plasma de Cl2 et celui de Cl2/Ar. Ce modèle est basé sur une approche globale qui permet de calculer les densités moyennes et les flux d’espèces présentes dans la décharge en résolvant les équations de bilan de masse. L’ajout de l’équation de bilan de puissance et l’équation de neutralité permet la détermination d’une manière auto-cohérente de la densité et la température électroniques en fonctions des paramètres machine. Les résultats obtenus par le modèle cinétiques ont été comparés à ceux obtenus par l’expérience. Un bon accord a été observé dans le cas d’un plasma de chlore pur et celui de mélange Cl2/Ar
This project is carried out in collaboration with LEOM (Laboratoire d’Electronique, Optoélecronique et Microsystème) of l’Ecole Centrale de Lyon. It concerns the InP etching by the chloride ICP plasma discharge. This kind of processes is considered as a key in the photonic crystals devices manufacturing. In order to understand the physical and kinetic mechanisms of the ICP discharge and their effects on the geometrical and structural properties of etched InP materials, we have studies, in first time, the electric and transport phenomena in plasma using Langmuir probe and optical emission spectroscopy. These studies showed the effect of certain reactor parameters, such as RF power and gas pressure, on the electric and transport properties for two plasma types: pure chlorine and Cl2/Ar mixture. On the other hand, the surface analyses of etched InP have carried out using XPS, AFM and Raman spectroscopy. The results showed that, contrary to InP etching by CH4/H2 plasma in which the etched surfaces are in phosphorus depletion, the InP etching by chloride plasma presents, in the most case, the indium depletion on the surface. In parallel to this experimental study, we have developed a kinetic model for two types of plasma: pure chlorine plasma and Cl2/Ar plasma. This model is based on the global approach that allows to calculate the average densities and fluxes or reactive species in the plasma discharge by resolving the mass balance equations. The results obtained by the kinetic model have been compared to those of experiment. A good agreement has observed for the pure chlorine plasma and Cl2/Ar plasma

Nous étudions les propriétés photoniques dans le plan de monocouches de nanostructures auto-organisées. L'objectif de cette l'étude est d'appliquer les nanostructures auto-organisées pour la réalisation de cavités à cristaux photoniques (CP), et de nouvelles sources de lumière organiques. Le premier chapitre présente les opales et les opales-inverse réalisées à partir de nanoparticules auto-organisées et leurs propriétés optiques. Dans une deuxième partie, sont introduits les cristaux photoniques, leur physique et les outils numériques pour les quantifier. Le deuxième chapitre se concentre sur l'étude des propriétés photoniques de réseaux périodiques bidimensionnels de monocouches de nanoparticules diélectriques auto-organisées. La transmission optique dans le plan du cristal et l'existence de bandes interdites photoniques sont systématiquement étudiées en utilisant la méthode numérique des différences finies dans le domaine temporel en trois dimensions (3D FDTD). Les structures étudiées sont des monocouches de sphères diélectriques entourés d'air («opales») ou des sphères d'air entourées par un matériau diélectrique («opales inverses») en treillis triangulaire, avec et sans substrat de verre. Les bandes interdites photoniques (BIP) sont étudiées en fonction du contraste d'indice et de la compacité des sphères. Pour les structures sans substrat, la BIP est observée pour les faibles indices de réfraction des matériaux. Toutefois, la présence d'un substrat de verre réduit les BIP. Défaut microcavité conçu en opales et opales inverses sont alors pris en compte. Le meilleur facteur de qualité sont obtenus avec des inverses-opales lorsque la compacité (r/a ) est d'environ 0,32. Une expérience pour mesurer la propagation dans le plan dans des monocouches de opales est présentée. Dans le troisième chapitre de cette étude, nous présentons une nouvelle approche de nanostructuration bidimensionnelle qui utilise la photolithographie et des nanoparticules auto-organisée pour nanostructurer de diodes électroluminescentes organiques. Cette technique utilise la photolithographie classique, un photo masque réutilisable faits de micro nanoparticules auto-organisées, et une résine photosensible. Le masque est constitué de micro-sphères de SiO2 et de polystyrène monodisperses de taille sub-micronique déposées d'une manière auto-organisée sur un substrat de quartz. Le principe de fonctionnement est similaire à celui de la photolithographie classique, sauf que deux configurations peuvent être distingués : le mode contact-dure et le mode contact-doux. Dans la première configuration, chaque microsphère agit comme une lentille micro-boule qui focalise la lumière et expose la partie de la résine photosensible au-dessous d'elle. Le motif résultant reproduit l'agencement du réseau triangulaire des sphères avec la même période. Dans le mode de contact-doux un comportement de masque de phase est obtenu qui se traduit par des périodes de réseau égales à la moitié du diamètre de la sphère. La période de réseaux et le diamètre des trous les plus petits obtenus avec une source de lumière de 405 nm sont respectivement 750 nm et 420 nm. Finalement, cette nouvelle technique de structuration de motifs bidimensionelle est appliquée à la nanostructuration d'OLEDs. Comme exemple, des OLEDs nano-structurées avec des couleurs d'émission vertes et rouges sont réalisées et présentées
We investigate the in-plane photonic properties of monolayer of self-organized nanostructures. We aim at investigating the contribution of photonic self-organized nanostructures to organic photonic crystal (PhC) cavities, and novel organic light sources.The first chapter presents bulk opals and inverse-opals made of self-organized nanoparticles and their optical properties. In a second part, photonic crystals are introduced as well as the physics and the numerical tools to quantify them.The second chapter deals with the study of photonic properties of two-dimensional periodic array of monolayer of self-organized dielectric nanoparticles. The in-plane optical transmission and the existence of photonic band gap are systematically studied by using the 3D finite-difference time domain (3D FDTD) method. The structures studied are monolayer of dielectric spheres surroundedby air ('opals') and air spheres infiltrated with dielectric material ('inverse opals') in triangularlattice, with and without glass substrate. The dependence of photonic band gaps (PBGs) on therefractive index and on the compactness of spheres is studied. For self-sustained structures, PBG isobserved for relatively low refractive indices of materials. However, the presence of a glasssubstrate reduces the PBGs. Defect microcavity designed in opals and in inverse opals are then considered. The best quality factor are obtained with inverse-opals when the compactness (r/a ratio) is around 0.32. An experiment to measure the in-plane propagation in monolayers of opals is presented. In the third chapter of this study, we present a new approach of two-dimensional patterning based on self-organized nanoparticle photolithography for nanostructuration of organic light emitting diodes. This technique uses conventional photolithography, a reusable photomask made of self organized micro nanoparticles, and a conventional photoresist. The mask consists of micro and submicronsized SiO2 or Polystyrene mono-dispersed spheres deposited in a self-organized manner on aquartz substrate. The principle of operation is similar to the one of conventional photolithography except that two configurations can be distinguished : The hard-contact mode and the soft-contact mode. In the first configuration, each microsphere acts as a micro ball-lens that focuses the light and expose the part of the photoresist underneath the spheres. The resulting pattern reproduce the triangular lattice arrangement of the spheres with the same period. In the soft contact mode a phase mask behavior is obtained which results in lattice periods being the half of the sphere diameters. Lattice periods and hole diameter as small as 750 nm and 420 nm respectively are demonstrated with a 405 nm light source. Eventually, this new two-dimensional patterning technique is applied to the nanostructuration of OLEDs. As an example, green and red patterned OLEDs are demonstrated